バイオミメティック触覚センシングシステムによる化粧料の使用感評価
山形大学大学院理工学研究科

野々村

美宗

Nonlinear phenomena on the soft material surface are one of the most exciting topics of chemical physics. However,
only a few reports exist on the friction phenomena under accelerated movement, because friction between two solid surfaces
is considered a linear phenomenon in many cases. We aim to investigate how nonlinear accelerated motion affects friction
on solid surfaces. In the present study, we evaluate the frictional forces between two polytetrafluoroethylene (PTFE) resinsusing an advanced friction evaluation system. On PTFE surfaces, the normalized delay time δ, which is the time lag in
the response of the friction force to the accelerated movement, is observed in the pre-sliding friction process. Under highvelocity conditions, kinetic friction increases with velocity. Based on these experimental results, we propose a two-phasenonlinear model including a pre-sliding process (from the beginning of sliding of a contact probe to the establishment ofstatic friction) and a kinetic friction process. The present model consists of several factors including velocity, acceleration,stiffness, viscosity, and vertical force. The findings reflecting the viscoelastic properties of soft material is useful for various
fields such as in the fabrication of clothes, cosmetics, automotive materials, and virtual reality systems as well as forunderstanding friction phenomena on soft material surfaces.

1．緒化する。本研究では、まず、触行動の非線形性を模倣する言ために、正弦運動を行う往復摩擦評価装置を用いて、2 枚触覚による物質認知や感情喚起のプロセスは、ヒトとののポリテトラフルオロエチレン（PTFE）樹脂間で起こるコミュニケーションが求められるロボットや情報端末、バ摩擦を系統的に評価し、非線形運動が固体表面における摩ーチャルリアリティーの開発に欠くことができないが、こ擦現象に及ぼす影響を考察した。これらの検討によって正れまでは、皮膚に加わる力学・熱刺激を摩擦計や熱量計を弦運動における速度や垂直力が摩擦力に及ぼす影響を系統用いて解析するに止まっていた。しかし、これらの方法で的に解析し、ソフトマテリアル表面における摩擦現象の基は、「なめらか感」「しっとり感」などの繊細で多様な感覚本モデルを提案することができた。次に、ファンデーショが生まれるメカニズムを説明することはできなかった。

ンを肌に塗る際に用いられる化粧用スポンジに着目し、市われわれは、ヒトが持つ触覚増強の仕組みを模倣しきれ販の化粧用スポンジでウレタン製人工皮膚を擦った時の摩なかったことがその一因と考える。第 1 の仕組みは皮膚の擦特性を評価した。また、市販の化粧用スポンジで前腕を階層構造である。指先の皮膚表面は、指紋のような数百擦った時の触感と好感度を官能評価によって明らかにし、μm スケールの凸凹の中に数十 μm スケールの角質細胞がスポンジの摩擦特性と触感の関係を明らかにした。

存在、汗や皮脂も介在して皮膚に加わる振動刺激を増強す

2. 方る。第 2 の仕組みは触行動の非線形性である。ヒトが触れ法た瞬間から、運動速度や垂直力が緩やかに増大、ある極大正弦運動を行う往復摩擦評価装置を用いて摩擦力を評価を経て減少する、正弦波で近似できるダイナミックな刺激した。Fig. 1 に装置の写真及び概要を示す。正弦運動は、が皮膚に加わり続けることで、短時間に多様な力学情報の偏芯した円板を回転させてヨークを往復運動させる機構に収集が可能になっている。

より実現した。さらに、接触子の内部に小型 3 軸加速度セ

そこで、これらのヒトの感覚増強の仕組みを取り入れたンサが装着されており、接触子に加わる接線方向及び法線『バイオミメティック触覚センシングシステム』を開発、方向の加速度を評価できる。下側に加わる力学刺激は、2触覚という心理現象を物理的観点から理解したうえで、化個のロードセルにより接線方向及び法線方向の応力をセン粧品およびその関連材料を評価、化粧品の塗り心地を定量シングする。2 枚のポリテトラフルオロエチレンテープ（以後 PTFE）間の摩擦力を評価した。正弦運動時の速度 V は、振幅 A、角速度ω、時間 T を用いて以下の ⑴ 式で表される。
V=A ω cos ω T（1）

A は 14 . 5 mm、ωは 0 . 01、0 . 1、1 . 0、2 . 1 rad s- 1、 垂 直

Tactile evaluation of cosmetic products
using biomimetic tactile evaluation
system

荷重 W は 0 . 98、1 . 47、1 . 96、2 . 45 N とした。

Yoshimune Nonomura
Yamagata Universityに、5 種類の化粧用スポンジを用いてウレタン製人工皮膚

一方、ファンデーションの塗布プロセスの再現するため− 158 −

バイオミメティック触覚センシングシステムによる化粧料の使用感評価

後 V= 0 mm s- 1 で 0 . 04 N まで減少した。つまり、速度の速い条件では、動摩擦係数が速度に伴って増加する依存性が観察された。
この滑り前摩擦過程で接触子の動きに対して摩擦力が遅れる位相差 δ を Fig. 4 に示す。δ は摩擦速度に依存し、速度が速い時に小さくなった。すなわち、速度V= 0 . 01 ~ 1 . 0
rad s- 1 の時、δ = 0 . 012 ~ 0 . 016 だったのに対し、V= 2 . 1
rad s- 1 の時、0 . 008 ~ 0 . 011 だった。さらに、δ は垂直荷重 に も 依 存 し た。V= 0 . 1 rad s- 1、W= 0 . 98 N の 時 δ= 0 . 012 だったが、2 . 45 N では δ = 0 . 016 だった。

3 . 2 . ストライベック曲線
運動条件が摩擦力に及ぼす影響を俯瞰的に解析するために、摩擦係数とゾンマーフェルト数（S =η × V/W、η = 粘
Fig. 1 Sinusoidal-movement sliding system. (a) Overall view,(b) contact probe of acrylic resin covered with PTFE tape,(c) conceptual diagram.

度、V = 速度、W = 垂直荷重）の関係をストライベック曲線に示す（Fig. 5）。この時、粘度は空気（25 ℃）の粘度
η = 18 . 2 × 10 - 6 Pa s とした。速度・垂直荷重によって、動摩擦過程に変化が現れた。S= 1 . 0 × 10 - 11 ～ 10 - 6 m- 1の時、動摩擦係数は約 0 . 07 で一定だったが、S が 1. 0 ×を擦った。5 種類のスポンジのうち、a、b、d はポリウレ

10 - 6 m- 1 以上になると S の増加と共に動摩擦係数も大きくタン製、c はニトリルブタジエンゴム製、e はスチレンブなり、S = 2 . 2 × 10 - 4 m- 1 では 0 . 14 に達した。すなわち、タジエンゴム製である。

速度の遅い条件では、動摩擦の過程で摩擦係数はほとんど変化しないが、速度の速い条件では、流体潤滑のような速３．結果と考察度に依存した摩擦係数の増加が観察された。

3 .1 . 摩擦プロファイル
Fig. 2 に正弦運動摩擦評価装置で 2 枚の PTFE テープをT 0 は接触子の往復にかかる時間である。試料を角速度

3 . 3 . ソフトマテリアル表面における摩擦現象の粘弾性モデル

0 . 1 rad s- 1、垂直荷重 0 . 98 N で擦った時、摩擦力は運動本研究で行った正弦運動下における摩擦評価によって、開始直後から急激に上昇し、T/T 0 = 0 . 02 で 0 . 10 N の静粘弾性を持つソフトマテリアルに特徴的な 2 つの現象が観摩擦力のピークを示した後、一定の動摩擦力（0 . 07 N）を察された。1 つ目は、接触子の動きに対して摩擦力が遅れ示した。Fig. 3 に摩擦係数と速度の関係を示す。角速度て現れる位相差 δ の発生、2 つ目はゾンマーフェルト数 S

擦った時の典型的な摩擦パターンを示す。ここで T は時間、

-10 . 01 ~ 2 . 1 rad s のすべての条件において、接触子が滑の増加にともなう動摩擦係数の増加である。金属や金属酸り出し直後に速度の上昇とともに一気に摩擦力が上昇する

化物のような弾性的なハードマテリアル表面では接触子がすべり前摩擦過程を経て静摩擦力に達した後、緩やかに速滑り出すと同時に摩擦力が発生するが、PTFE のような粘度依存性の小さい動摩擦過程に移行した。往復運動を行う

弾性のソフトマテリアルは、滑り出す時に変形するため、と、逆方向に同程度の摩擦力が発生し、閉じたループが描摩擦力が運動に対して遅れて発生する。また、粘弾性体のかれた。この滑り前摩擦過程においては、往路と復路の間ずり応力のうち粘性抵抗の因子はずり速度に比例して増加でずれが生じるヒステリシスが観察された。このヒステリすることが、S の増加にともなう動摩擦係数の増加に対応

シスはテフロン表面では接触子の運動に対して摩擦力が遅している。

れて応答することを意味している。動摩擦過程のプロファ

これらの特性に基づいて粘弾性体表面における摩擦のモ

イルは、角速度が 0 . 01、0 . 1 rad s- 1 の時、摩擦係数は速デルを構築した（Fig. 6）。ここでは、質量 M の物体を垂度に依存せず一定だったが（Fig. 3 ⒜ , ⒝）、角速度が 1 . 0、直荷重 N を加えながら速度 V = dx/dt（x= 位置、t= 時間）-1

2 . 1 rad s の時、摩擦係数は速度に依存し、大きくなっで動かした時に発生する摩擦力を Ff 、z をひずみ距離とすた（Fig. 3 ⒞ , ⒟）。すなわち、2 . 1 rad s- 1 の時、静摩擦直る。従来のモデルでは、基盤は弾性率 ks のばねによって固後 V= 5 . 78 mm s- 1 で 0 . 10 N の動摩擦力が観察された後、定されており、基盤上の物体が運動すると ks に対応した摩-1速度の最大値（30 . 3 mm s ）で 0 . 12 N まで上昇し、その擦力が発生するものと考えられてきた 18）。本研究では、さ− 159 −コスメトロジー研究報告 Vol.25, 2017

Fig. 2 Temporal change in the friction force, the velocity, thevertical force and the acceleration at an angular velocity ω= 0 . 1 rad s- 1 , and the vertical force W = 0 . 98 N.

Fig. 3 The relation between the friction coefficient and the velocity based on typicalexperimental results（gray line）and the proposed model（black line）: (a) ω= 0 . 01 rad s- 1 ,W= 0 . 98 N, (b) ω= 0 . 1 rad s- 1 , W= 0 . 98 N. (c) ω= 1 . 0 rad s- 1 , W= 0 . 98 N, (d) ω= 2 . 1 rads- 1 , W= 0 . 98 N.

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バイオミメティック触覚センシングシステムによる化粧料の使用感評価

Fig. 5 Dependence of the friction coefficient on theSommerfeld number S. ω= 0 . 01 rad s- 1（●），0 . 1 rad - 1（◆），1 . 0 rad s- 1（■），2 . 1 rad s- 1（▲）．

Fig. 6Friction model of a soft material.

らに粘性率 η（粘性摩擦係数 C）のダッシュポットを加えはそれぞれ 85 ％、70 ％だった。e の特徴的な触感は Roughることで、位相差 δ の発生などの粘性的応答を考慮するこ感、Dry 感で、発現率はそれぞれ 20 ％、40 ％だった。ことを可能にした。の結果に基づいて、「すべすべ」、「ふわふわ」する Soft-

本研究で得られた摩擦パラメーターの幾つかの特徴的なSlippery group（a、d）、「ざらざら」、「ぱさぱさ」する挙動は、この粘性的なダッシュポットの存在によって説明

Rough-Dry group（c、e）、突出した特徴がみられないできる。ソフトマテリアル表面で現れた位相差 δ は、摩擦group の 3 グループに分類した。これらのグループごとの速度が速いと小さく、垂直荷重が大きいと大きくなった。

触感の違いは、セル壁の厚さと表面張力、摩擦変化量によ

この速度依存性は、接触面における凝着の切れ方が速度にって説明できた。セル壁が厚く、表面張力・摩擦変化量がよって変化するために起こる

16）。すなわち、速度が速い時大きい時、Slippery 感が弱く、Rough 感が強く感じることは弾性的に振る舞い、力の応答が素早く、速度が遅い時はが示された。また Rough 感が強い時は Soft 感が弱くなった。

粘性的に振る舞い、力の応答が遅くなる。また、垂直荷重

Dry 感の強いスポンジに触れた時は多くの場合「滑らかでが大きくなると真実接触面積はそれに比例して大きくなる。

ない」という Rough 感と関係の深い言葉が選ばれたこと

接触面積が大きくなるにつれ、粘弾性体の粘性の影響が強から、Rough 感の強さが Dry 感を強めたものと考える。

く現れるため、摩擦力の応答が遅くなったと思われる。ス

4. 総

トライベック曲線において、速度の速い範囲で摩擦係数が増加したのも、粘性に起因し速度に依存して粘性摩擦力が生じる

17）

括

我々は、ソフトマテリアルの動的運動下における摩擦現。従って、速度の速い範囲では、粘性摩擦が顕著

象を理解するために、PTFE 間の非線形運動下における摩に現れたため、動摩擦係数が速度に依存して増加したと思擦実験を行い、すべり前摩擦過程では速度と摩擦力の応答われる。の差 δ を、動摩擦過程では粘性抵抗由来の摩擦係数の増加を見出した。これらの特性は摩擦の基盤がばねとダッシュ

3 . 4 . ファンデーション塗布過程における触感と摩擦ポットで固定された粘弾性摩擦モデルを用いて定性的に説5 種類の化粧用スポンジ a~e について、女性 20 名を被明することができた。さらに、この評価システムを化粧料験者として好感度と触感に関する官能評価を行った。各ススポンジの触感の評価に応用展開した。本研究で提案されポンジの好感度に有意な差は見られなかったが、触感に関たソフトマテリアルの動的摩擦現象のモデルは皮膚表面にしてクラスター分析をしたところ幾つかのグループに分類おけるヒトや動物の触覚認知 ･ 歩行プロセスから活断層にできた。全てのスポンジは Moist 感が強く、しっとりしておける地震の発生プロセスまで様々な摩擦現象を理解するいた。a の特徴的な触感は Soft 感、Slippery 感で、発現率うえで有用である。

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